（电气工程专业论文）襄樊电网无功电压分级递阶协调控制系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 电力系统无功电压控制对于系统的安全、经济运行有着重要的意义。无功电压控 制的手段很早就已经存在，如传统的发电机励磁调节器、可投切电容电抗器、有载调 压变压器分接头，新型的电力电子装置等，这些控制手段为保证电力系统安全、稳定 运行发挥了重要作用。但是这些控制器的主要特点是根据本地的信息自动迅速的提供 相应的调节作用，控制是分散的、局部的，无论是控制目标还是控制手段都集中在很 小的范围内，对整个电网来说缺乏从全局的角度来进行协调和优化的手段。 为了解决这个问题，本文首先分析了地区电网的网络特点、电网的管理模式和无 功电压控制的物理特性以及调度自动化系统的现实条件，然后提出了一种分级递阶协 调的无功电压优化实用控制策略，实现了一个实时闭环控制系统。同时，对相关的理 论和算法进行了分析。该分级递阶协调控制策略由地调a v c ( a u t o m a t i cv o l t a g e c o n t r o l ，无功电压控制) 系统及县调a v c 系统组成，根据现场的实际情况设计了不同 的方案，可根据具体情况手动或自动转换，从而提高a v c 系统的整体可靠性，满足电 力系统对自动装置可靠性的高要求。 在分级控制理论的基础上，本文开发了一套应用于地区电网的无功电压分级递阶 协调控制系统软件。该软件采用客户机服务器分布式体系结构和v i s u a lc + + 、d e l p h i 面向对象程序设计技术。图形界面采用公司的专业图形库，采用多线程技术以及 i n t e r b a s e 数据库，提高了程序的整体性能。软件已在现场实时运行，取代厂站端v q c 实现对并联电容器和有载调节变压器分接头的闭环控制，并取得了很好的控制效果， 现场应用实例证明，本系统有效、实用。 关键词：无功电压优化自动电压控制遗传算法分级递阶控制 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e a c t i v ep o w e rs y s t e ma n dv o l t a g ec o n t r o ls y s t e mf o rt h es a f e t yo p e r a t i o no ft h e e c o n o m yi so fi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e r e a c t i v ep o w e ra n dv o l t a g ec o n t r o li st h em e a n s a l r e a d ye x i s t , s u c ha st h et r a d i t i o n a lg e n e r a t o re x c i t a t i o nr e g u l a t o r , s w i t c h e dc a p a c i t o r r e a c t o r , o l t c ，a n dn e wt y p eo fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s t h i sc o n t r o lm e t h o d sp l a y e da l l i m p o r t a n tr o l ei np o w e rs y s t e ms t a b i l i t y h o w e v e r , t h em a i nf e a t u r e so f t h e s ec o n t r o l l e r si s b a s e do nl o c a li n f o r m a t i o na u t o m a t i c a l l ya d j u s tr a p i d l yt op r o v i d et h ec o r r e s p o n d i n gr o l e w h e t h e ro rc o n t r o lo b j e c t i v e sa n dc o n t r o lm e t h o d sa r ec o n c e n t r a t e di nas m a l la r e a , a b s e n c eo ft h ee n t i r en e t w o r kf r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h eo v e r a l lc o o r d i n a t i o na n d o p t i m i z a t i o nt 0 0 1 t os o l v et h i sp r o b l e m , t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e # o n a l g r i dn e t w o r ka n dt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fr e a c t i v ep o w e ra n dv o l t a g ec o n t r o ls y s t e m t h e nad i s t r i b u t e dh i e r a r c h i c a l o p t i m i z a t i o np r a c t i c a lc o o r d i n a t i o n o far e a l - t i m e c l o s e d - l o o p c o n t r o ls y s t e mi s p r e s e n t e d t h ed i s t r i b u t e dh i e r a r c h i c a lc o n t r o ls t r a t e g y c o o r d i n a t e db yt h ew a yt h em a i na v c s y s t e ma n dt h el o c a la v cs y s t e m a c c o r d i n g t ot h e a c t u a ls c e n eo fad i f f e r e n td e s i g np r o g r a m , t h i sc a ns w i t c hu n d e rs p e c i f i cc i r c u m s t a n c e s m a n u a l l yo ra u t o m a t i c a l l y t h ea v cs y s t e ms oa st oe n h a n c et h eo v e r a l lr e l i a b i l i t yo ft h e p o w e rs y s t e mt om e e tt h eh i g hd e m a n df o ra u t o m a t i cd e v i c er e l i a b i l i t y o nt h eb a s i so f t h eh i e r a r c h i c a lc o n t r o lt h e o r y , t h i sp a p e rd e v e l o p e dar e g i o n a ln e t w o r k s o f t w a r ef o rt h ec o o r d i n a t i o no fv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r t h es o f t w a r eu e s e st h e c l i e n t s e r v e rd i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r ea n dv i s u a lc + + d e l p h io b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g t e c h n i q u e s t h ep r o f e s s i o n a lg r a p h i cl i b r a r y u s eg r a p h i c a li n t e r f a c e ，m u l t i t h r e a d i n g t e c h n o l o g ya n di n t e r b a s ed a t a b a s e t h es o f t w a r ei sa l r e a d yu s e df o rr e a l t i m eo p e r a t i o na t t h es c e n e ， r e p l a c e dt h ep l a n tt e r m i n a l sv q c ，a n dr e a l i s et h et h ec l o s e d l o o pc o n t r o lo f s h u n tc a p a c i t o r sa n dt r a n s f o r m e r sc o n t a i n i n gc o n d i t i o n i n gt a p ，a n da c h i e v e dg o o dc o n t r 0 1 t h ea p p l i c a t i o nh a ss h o w nt h a tt h es y s t e mi se f f e c t i v e ，a n dp r a c t i c a l k e y w o r d s ：r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n a v cg e n e t i ca l g o r i t h m s d i s t r i b u t e dh i e r a r c h i c a lc o n t r o l i i 独创- 陛声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 o 口_ _ r 学位论文作者签名：气身芬) 日期：撕6 年p 月z ；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 本论文 保密口，在 不保密t 年解密后适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：焉搴】 指导教师签名：落参j 铂 日期：寸6 年b 月2 f 日日期：0 6 年p 月巧日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 概述 l 绪论 电力工业是现代社会的重要支柱产业，电力系统发生大规模事故造成的经济影响 和社会影响都难以估量。世界各大电网陆续发生的大面积恶性停电事故，更是引起了 电力界对于电网稳定性问题的普遍关注，正是由于多次发生的严重电网事故特别是电 压崩溃事故，引起了科研人员对于电网电压稳赳1 叫研究的极大重视。电力生产中受 到环境和经济因素的限制，大多数发电厂都远离负荷中心，而且一些传输线路已经接 近极限运行。在这种情况下，如何能够保证电网的电压水平成为越来越不容忽视的问 题。 与电网安全性同样值得重视的是电网的经济性。随着电力市场在各国的逐步实 施，在安全稳定的前提下使电网运行于更经济的状态，一直是电力系统运行人员和科 研人员所追求的目标。在各国电力市场日渐成型的同时，我国也提出了电网商业化运 营的市场目标。在这种情况下，电网的安全、经济和可靠运行成为众人的目标。由于 直接与电网运营的利益相关，电网的经济运行将占据一个十分重要的地位。 电力系统电压和无功功率控制n 5 1 是一个关系到电压和电能质量的重要指标。电 压质量对电力系统的安全与经济运行，对保证用户安全生产和产品质量以及电器设备 的安全与寿命有着重要影响。电力系统的无功补偿与无功平衡，是保证电压质量的基 本条件。有效的电压控制和合理的无功补偿，不仅能保证电压质量，而且能减少线损， 提高电网运行的经济性。因此，无功电压控制也被提升到了一个醒目的位置。 无功电压优化控制包括规划配置( p l a n n i n g ) 和运行控$ 1 j ( o p e r a t i o n ) 两个方面的问 题，本文以后者为研究对象。我国地区电网中，参与无功电压控制的设备主要是并联 电容器和变压器有载分接头。地区电网进行无功电压“优化”控制，就是要通过某种优 化算法，用最小的控制成本，达到最优的控制效果，使得地区电网处于安全、优质和 经济的运行状态。 华中科技大学硕士学位论文 随着电网规模的日益扩大，以往由运行值班人员根据其运行经验和简单逻辑判 断，人工手动进行无功电压控制的控制模式很难达到优化的控制效果，已经不能满足 电网发展的需要了。另一方面，目前在我国地区电网中已广泛使用的变电站无功电压 控制装置( v q c ) ，由于其控制原理的不足，也难以取得理想的无功电压优化控制效果。 电网的发展迫切需要一种基于新型控制原理和实现方式的无功电压优化自动控制系 统的出现。 与此同时，我国地区电网运行的自动化水平近年来己得到很大的提高，调度自动 化系统( s c a d 刖e m s ) 【1 6 - 1 9 电得到普及，其“四遥”功能日趋完善，在现场运行中具 有较高的可靠性和稳定性。这些都为基于计算机软件模块的无功电压优化自动控制系 统的开发和应用奠定了技术条件。 随着计算机、通信技术的发展和s c a d a 系统的实用化，直接从调度自动化系统 中获取相关的历史数据和实时数据，进行全网无功电压自动控制成为可能，并且走向 了实用化阶段，产生了可观的经济效益和社会效益。 1 2 地区电网无功电压控制的研究现状 电力系统无功电压控制的手段很早就已经存在，比如发电机的自动励磁调节器 ( a v r ) 、可投切电容电抗器、变压器的有载调压分接头( o l t c ) 等，这些控制手段为保 证电力系统安全、稳定运行发挥了重要作用。但是这些控制器的主要特点是根据本地 的信息自动迅速的提供相应的调节作用，是分散和局部的，无论是控制目标还是控制 手段都集中在很小的范围内，对整个电网来说缺乏从全局的角度来进行协调和优化的 手段。随着对电压稳定性和经济性问题研究的不断深入，现代电网的发展已经对系统 中的电压无功控制的协调性提出更高的要求，而电力系统研究的进展和计算机、通 信等学科的飞速进步也为这种更大范围内1 2 0 】的无功电压控制提供了技术上的基础，全 局的无功电压控制正是在这种情况下逐步发展起束的。1 9 6 8 年，日本k y u s h u 电力公司 首先在a g c 系统上增加了系统电压自动控制功能，这可以看作是从全局的观点出发进 行电压无功控制的第一步。而后，世界各国的工程人员和科研人员针对这一课题， 进行了广泛的研究。从研究的总体思路上看，基本上可以分为两大类：基于“最优潮 2 华中科技大学硕士学位论文 流”的控制模式和基于分层分区的控制模式。 1 2 1 基于最优潮流的控制模式 最优潮流一直是电力系统领域的研究热点，直接将最优潮流得到的控制策略通过 开环或者闭环的方式下发到电力系统的控制执行机构，从而完成对系统无功和电压的 最优控制，也成为一种非常自然的研究思路。实际上在这种控制模式下，系统一级的 控制策略仍然是通过发电机的a v r 等本地控制设备完成的，因此严格的说这也属于一 种分级电压控制，本文称其为两层电压控制模式。 文献 2 1 】研究了如何利用最优潮流进行实时闭环无功电压控制。整个控制模块分 为两个部分，首先判断系统是否存在电压越限，如果存在则进入电压校正环节，通过 一个线性规划问题的求解得到控制策略，将越限电压拉回限值之内。如果系统电压全 部正常，则进入以网损最小为目标的最优潮流模块，通过牛顿法求解最优控制策略并 下发。 文献【2 2 介绍了在德国r 、脏进行在线实时的最优潮流应用的情况。从1 9 8 4 年开 始，r w e 在控制中心利用最优潮流对于电网的无功分布情况进行调整，共有6 5 台发 电机、1 5 个无功补偿装置以及3 0 台变压器作为控制变量参与优化，在状态估计的基础 上，优化每小时启动一次( 或者由调度员手工启动) ，给出对控制变量的调节策略。 文献 2 3 1 讨论了一种考虑安全约束的最优潮流方案，保证系统对于预想事故集在 卜1 的情况下实现预防性的安全。文章中同时讨论了如何与意大利已有的无功电压控 制系统( 基于分级电压控制结构) 相结合。 1 2 2 分级电压控制模式 分级电压控制模式是目l i i 在国外( 主要是欧洲) 得到了较好应用的控制模式，其基 本思想是将电压控制分为三个层次：一级电压控制( p v c ，p r i m a r y v o l t a g e c o n t r 0 1 ) ，二 级电压控制( s v c ，s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 2 4 。0 1 和三级电压控制( t v c ，t e r t i a r y 华中科技大学硕士学位论文 v o l t a g ec o n t r 0 1 ) 一级电压控制为本地控角1 ( 1 0 c a lc o n t r 0 1 ) ，只用到本地的信息。控制器由本区域内 控制发电机的自动励磁调节器( a v r ) 、有载调压分接头( o l t c ) 及可投切的电容器组 成，控制时间常数一般为几秒钟。在这级控制中，控制设备通过保持输出变量尽可能 的接近设定值来补偿电压快速的和随机的变化。 二级电压控制的时间常数为分钟级，控制的主要目的是保证中枢母线( p i l o t n o d e ) 电压等于设定值，如果中枢母线的电压幅值产生偏差，二级电压控制器则按照预定的 控制规律改变一级电压控制器的设定参考值，二级电压控制是一种区域控翻j ( r e g i o n c o n t r 0 1 ) ，只用到本区域内的信息。 三级电压控制是其中的最高层，它以全系统的经济运行为优化目标，并考虑稳定 性指标，最后给出中枢母线电压幅值的设定参考值，供二级电压控制使用。在三级电 压控制中要充分考虑到协调的因素，利用了整个系统( s y s t e m - w i d e ) 的信息来进行优化 计算，一般来说它的时间常数在几十分钟到小时级。 对比于直接基于最优潮流结果的两层电压控制模式，本文称这种分级电压控制方 案为三层电压控制模式。 1 2 3 国内的无功电压控制的发展过程 在国内的无功电压控制的发展中，经历了以下几个阶段 1 基于变电站的分散电压无功自动控制 一般在变电站内部，根据一定的原则，利用硬件v q c 或者软件v q c 来实现利用 本站内的无功资源和电压调节设备的动作，比如并联电容器的投切或者有载调压变压 器分接头的调节，来进行变电所内的无功电压综合控制。九区域图法直观明了，简单 易行，可以保证单个站一定的电压合格率和功率因数，应用比较广泛，但是难以完全 实现全范围的无功电压最优控制。就单个站而言，提高了电压合格率和电容利用率， 但是在二级有载调压电网，会出现电压频繁调整，容易造成电压调节不合理现象或者 设备无谓动作。在后来的应用当中，出现了基于基本的九区域图，引出模糊边界，演 化出1 7 区域图，用于更进一步精确控制，控制策略复杂一些。这也是现今流行的控制 方式。由于每个变电所都必须安装无功电压控制装置，投资大，设备维护量显著增加。 4 华中科技大学硕士学位论文 但在当地厂站数据无法传送到调通中心，调度自动化系统无法采集数据或者未实现 “遥控“遥调”功能时，应用厂站电压无功控制装置还是比较合适的。 2 基于e m s 内无功优化功能的电压，无功控制方案 此方案是基于无功最优算法( 如遗传算法) 进行全网网损最优的基础之上进行控 制，也取得了一定的应用成果。但对于电压越限校正等实时性要求高的场合下，由于 无功最优算法计算速度比较慢，无法快速响应，所以严重影响了只有纯最优化算法的 无功电压控制系统的实用性。 此方案要作推广性的应用，尚需解决这样几个问题：由于只采用单一的全网最优 算法，在1 0 k v 母线电压越限等 紧急状态下，最优算法很难再立即给出方案，这对于电压质量的考核来说是个软 肋；当系统中无状态估计数据或者实时状态估计运行不正常时，会造成无功电压优化 控制不能进行；如果优化算法不收敛，则造成无控制方案输出，这会造成模糊而不精 确的结果，这对于在线实时控制是不允许的；对于设备动作次数约束，如果都以罚函 数的形式加入到最优化模型中，则会降低算法收敛速度；如果不加入，则会造成设备 动作次数过多，于设备不利。 3 基于v q c 的分层分散控制 目前国内有些供电企业实现了以v q c 作为二级执行机构、主站计算软件作为统一 协调部分的系统。该系统需要将所有变电站v q c 统一成一个厂家，对原已安装较多 v q c 的企业来说会引起较多的重复投资。 4 基于s c a d a 主站系统的无功电压集中控制 无功电压控制控制系统与s c a d a 接驳，在允许时间间隔内接收s c a d a 系统实时 数据，并不再单纯应用基于全网潮流计算的优化算法，而是基于灵敏度矩阵，建立 符合全网网损尽量小，电压合格的优化及控制判断规则，在实时控制上完全满足要求， 而又不失全网优化集中控制，形成有载调压分接头调节和电容器投切指令，然后利用 s c a d a 的遥控遥调接口将动作方案通过下行命令通道执行。这种方案充分利用了 s c a d a 的现有数据和所有功能，避免了设备的重复投资，节省了开支。 目i i 基于s c a d a 主站系统的无功电压集中控制方式在只有单个调度中心和单个 监控中心模式下的中小型地调得到了大量的成功应用；但对于大型地调的全网无功电 5 华中科技大学硕士学位论文 压控制和与省网无功电压控制的结合，此方案遇到了困难。在一些大型城市，电网结 构复杂，需要优化全地区的无功电压，其管理模式是一个地调下辖多个县调，各县调 管辖范围是按行政区域划分而不是按电网结构的耦合程度划分，各县调所控厂站之间 有可能紧密结合，但在电网结构上无法按照行政区域划分来解耦，因此只有全网集中 控制已经不能解决地调与县调之间的组织、优先级、责任归属的问题。另外，对于大 中型地调来说，通过集中控制来控制所有无功电压设备，使得该系统的控制设备成为 供电企业控制设备最多的一个系统，这就要求保证电压控制的可靠性，原有集中控制 系统已无法满足大型地调对可靠性的要求。 1 3 本文的主要研究内容 随着电网规模的日益扩大，及电网对安全性、经济性的需求提高，以及现有调度 自动化系统的运行水平，实现电力系统无功电压优化实时闭环控制已成为电力部门迫 切需求。 本文第一章分析了国内外电压无功控制研究现状，并着重研究了国内的地区电网 电压无功控制的发展过程，认为要进行地区电网的无功电压的优化控制，其算法既要 适合地区电网特点，又要适合地区电网调度自动化系统的实际情况；开发的程序，既 要有优化的控制效果，又要保证电压合格( 首要目标) 。因此，本文的工作集中在针对 我国地区电网的运行特点，着重对地区电网的无功电压实时闭环控制问题进行研究和 软件系统开发。 第二章介绍了遗传算法在地区电网无功优化中的应用，及应用改进遗传算法进行 在线全网无功优化和省网关口功率因数校正。 第三章深入分析了地区电网无功电压优化控制的特点，设计了分级递阶协调控制 模式。根据襄樊地区运行管理模式，提出了地县联调策略。 第四章以上述算法为控制原理，在此基础上开发了襄樊全网无功电压分级递阶协 调控制系统，包括程序的设计思想和各个模块。 第五章介绍了分级递阶协调控制系统的现场投运和应用情况。 第六章对全文进行了总结。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 基于遗传算法的地区电网无功优化 在地区电网无功电压控制当中，电容电抗器投切和发电机无功出力的改变必定 会改交无功潮流分布，从而引起全网的网损变化，因此必须引用全网最优算法来对全 网无功优化进行寻优。 电力系统无功优化是一个多变量、非线性、不连续、多约束的优化控制问题，传 统的数学优化方法往往难以找到完全符合运行要求的全局最优解。遗传算法【3 卅以其 良好的收敛性、较高的鲁棒性和广泛的适应性，对求解问题几乎没有什么限制，也不 涉及常规优化问题求解的复杂数学过程，因此本文将遗传算法引入在线全网无功优 化。 2 2 全网无功优化传统模型 电力系统实时无功优化，是指在给定的运行方式下，将电源的有功出力固定，通 过改变发电机无功出力( 或相应节点电压幅值) ，以及有载调压变压器分接头位置和无 功补偿设备( 包括并联电容器和电抗器) 的投入量，在满足系统运行的各种约束条件 下，使得系统在某一时段内的运行费用为最小。 因为本文描述的是在线实时无功优化控制系统模型，不考虑投资因素，所以取模 型的目标值为系统网损最小。 f = r a i n p l o s s ( 2 - 1 ) 同时要满足以下等式约束条件和不等式约束条件 节点电压约束 一 巧一( 2 2 ) 矿为母线电压，m i n 指最小值，m a x 指最大值，以下同。 省网关口功率因数约束 7 华中科技大学硕士学位论文 c o s 毋u c o s o , c o s 只m ( 2 - 3 ) 其中，c o s o 。省网关日功率因数，在本文中指2 2 0 k v 变电所的高压端功率因数值。 发电机无功出力约束 g m 皱 级一 ( 2 4 ) 有载调压分接头档数调节上下限 z 霉 z 一 ( 2 5 ) 设备动作次数上限 川 巧。 = 巧 砟。 k k 一 【k m mk c o s 8 k m a x ( 2 - 1 6 ) c o s = c o s 6 ,c o s # k m m c o s # i c o s 万k m a x 【c o ss , n c o s 6 k c o s 万k m m 其中， ，如一惩罚因子( 系数) 在本文中，适应度函数直接应用目标函数( 2 1 5 ) ，显然，目标函数值越小，适应 度越高。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 2 5 3 选择算子 遗传算法使用选择算子来对群体中的个体进行优胜劣汰操作：适应度较高的个体 被遗传到下一代群体中的概率较大，而适应度较低的个体被遗传到下一代群体中的概 率较小。遗传算法中的选择操作就是用来确定如何从父代群体中按某种方法选取哪些 个体遗传到下一代群体中的一种遗传运算，操作建立在对染色体个体的适应度进行评 价的基础之上。在选择阶段，首先要通过解码，进行潮流计算，再根据潮流计算的结 果计算适应度。 实际上在遗传算法的运行过程中，通过对个体的进行交叉、变异等遗传操作而不 断产生新个体，虽然随着群体的进化过程会产生越来越多的优良个体，但由于选择、 交叉、变异等遗传操作的随机性，它们也有可能破坏掉当前群体中适应度较好的个体。 而这是我们所不希望发生的，因为它会降低群体的平均适应度，并且对遗传算法的运 行效率、收敛性都有不利的影响。所以，在本文中使用优秀个体保存策略进化模型： 即当前群体中适应度最好的个体不参与变异运算，但是选中几率最大的个体，而是用 它来替换掉本代群体中经过交叉、变异等遗传操作后所产生的适应度最低的个体。 最优个体保存策略模型的具体操作过程是：找出当j j 群体中适应度最高的个体和 适应度最低的个体；若当前群体中最佳个体的适应度比总的迄今为止的最好的个体适 应度还要高，则以当前群体中的最佳个体作为新的的最佳个体；用迄今为止的最好个 体替换掉当前群体中的最差个体。 最优个体保存策略实际上是选择操作的一部分，该策略的实施已被证明可以概率 收敛到全局最优n 9 1 。最优个体在交叉之前先复制一份用于直接遗传到下一代，对于 群体中其他个体，按目标函数值从大到小排列，然后按下式分配选择概率： i , - - q ( 1 - q ) - 一叫羔。 ( 2 - 1 7 ) 其中，( 一个体的选择概率 一种群规模 g 一为整数，最好个体的选择概率，取为0 9 4 华中科技大学硕士学位论文 最后，通过轮盘赌的方式，选择个体：先生成一个【o ，l 】内的随机数r ，若 胁+ a + 见+ + 只一l ，p 1 + 扔+ + 只 则选择染色体i ，这里假设岛卸。 这种选择方案的优点是可以避免过早收敛和停滞现象，并且实现简单，可以直接 实用原始的目标函数值进行排队。 2 5 ，4 交叉算子 交叉运算是指对两个相互配对的染色体按某种方式相互交换其部分基因，从而形 成两个新的个体。交叉运算是遗传算法区别于其他进化算法的重要特征，它在遗传算 法中起着关键作用，是产生新个体的主要方法。一般来说，交叉操作要求既不要太多 的破坏个体编码串中的优良串，又能够有效地产生一些较好的新个体模式。 本文结合二进制编码的特点，采用单点交叉法，它是指在个体编码串中随机设置 一个交叉点( 若染色体的长度为n ，则共有( n - 1 ) 个可能的交叉点位置) ，然后在该点相 互交换两个配对个体的部分染色体，如下所示： a ：1 0 1 1 0 1 1 1 io o 兰点墼斗a ：1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 b ：0 0 0 1 1 1 0 0 i n 鲢皇马鑫：0 0 0 1 1 1 0 0 f 0 0 单点交叉的重要特点是：若邻接基因之间的关系能提供较好的个体性状和较高的 个体适应度的话，则这种单点交叉操作破坏这种个体性状和降低个体适应度的可能性 最小。 2 5 5 变异算子 所谓变异运算，是指将个体染色体编码串种的某些基因座上的基因值用该座的其 他等位基因来替换，从而形成新的一个个体。对于二进制编码方案，就是将个体在变 异点上的基因值取反。 从遗传运算过程种产生新个体的能力方面来说，交叉运算是产生新个体的主要方 法，它决定了遗传算法的全局搜索能力；而变异运算只是产生新个体的辅助方法，但 它也是必不可少的一个运算步骤，因为它决定了遗传算法的局部搜索能力。 变异有两个目的：改善遗传算法的局部搜索能力；维持群体的多样性，防止出现 1 5 华中科技大学硕士学位论文 早熟现象。变异算子用新的基因值替换原有基因值，从而可以改变个体编码串的结构， 维持群体的多样性。 一般来说，变异率在优化计算的初期不宜过大，并且在不宜用固定变异概率，因 为这会导致搜索走向局部极小值。本文采取自适应的变异概率： f，厶 一体卜1 硼+ 唰a 每画唧( 嘲砒刑i s e p 1 即 l，口研r 其中，j 一是整个这一代变量群体的目标函数平均值 ，一二进制码串x ( 第i 个染色体，不包括最优个体) 的目标函数值 t 一遗传代 1 可一自身变异概率允许值的最终值，一般不大于0 0 0 1 p ( t ) 一第t 代中第i 个染色体的变异率 五调节系数，取0 1 由式( 2 1 8 ) 可知，不同的二进制码串有了不同的变异概率允许值。当z 厶时， 彳属于优良个体，因此要尽量避免变异，x 。的自身变异概率允许值就低；而当 z 卜黼时，x 的自身变异概率允许值要高，因此其变异概率也就升高。随着七的 增大，e x p ( 一k ) - o ，所有的自身变异概率允许值趋近于，这与随着迭代次数的增 加，群体中的个体逐步趋向最优是一致的。 当然，从整体寻优的角度来讲，选择算子是采用最优个体保存策略模型，所以对 于第| | 代群体其最优个体在本代的变异率是零。 算法的寻优的过程中，在初始给出一个大的变异概率允许值以造成足够的扰动， 这样可以用相对小的群体规模在大的范围内进行寻优，从而避免了寻优过程在找到全 局最优前提前收敛而陷入于局部极小点。该变异概率允许值随寻优进程而逐步减小至 一常量从而适应于平滑收敛。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 2 5 6 运行参数 在遗传算法模型中，需要选择的运行参数主要有个体编码串长度z 、群体大小膨、 交叉概率只、变异概率只、终止代数r 、替代率g 等，这些参数对遗传算法的运行 性能影响较大。 编码串长度，。由于本文实用二进制编码来表示个体，所以编码串长度，的选取与 问题所要求的求解精度有关。 群体大4 , g 。群体大j , m s ： 示群体中所含个体的数量，当肘取值较小时，可提 高遗传算法的运算速度，但却降低了群体的多样性，有可能会引起遗传算法的早熟现 象；而当肘取值较大时，又会使得遗传算法的运行效率降低。本文采取的策略是依优 化目标规模( 主要是地区电网规模) 的大小来调整：在工程应用当中，允许用户在一定 范围内( 1 0 0 3 0 0 ) 设置肘的值。 交叉概率b 。交叉操作是遗传算法中产生新个体的主要方法，所以交叉概率一般 取较大值。但若取值过大的话，它会影响群体中的优良模式，对进化运算反而产生不 利影响；若取值过小的话，产生新个体的速度又较慢。般建议的取值范围是0 4 o 。9 9 。 变异概率。若变异概率取值比较大的话，虽然能够产生出较多的新个体，但 也有可能破坏掉很多较好的模式，所以，变异概率比起交叉概率尼则小得多；若 交异概率取值太小的话，则变异操作产生新个体的能力和一致早熟现象的能力就会较 差，一般建议取值范围o 0 0 0 1 0 1 1 。本文应用自适应变异概率方法， 终止代数r 。终止代数丁实际上很难确定，依问题规模大小而变化，具体到全网 无功优化问题中，尽管本文的遗传算法收敛到最优解的概率为1 ，但实际电网中完全 没有最优无功调节方案是有可能的，所以，为了保证计算机c p u 不作无谓的计算，给 与一个最终收敛条件最大迭代次数即为终止代数r ，这个条件是遗传计算结束的充分 条件，但不是必要条件。 替代率g 。替代率g 是表示各代群体之l 日j 个体重叠程度的一个参数，它表示每一 1 7 华中科技大学硕士学位论文 代群体中被替换掉的个体在全部个体中所占的比例，即每一代群体中有( m - g ) 个个体 被替换掉。在本文中，采取的是g 的范围是o 5 o 7 。如果铀6 ，则表示6 溉的个体 是新产生的。 2 6 典型工程实用化处理 2 。6 1 收敛和终止判据 遗传算法的收敛判据有多个，从在线实时计算角度来讲，收敛越快越好，最好也 不能只有一个收敛判据。本文从实用的角度提出了用如下的收敛和终止判据：最多迭 代次数r 。即终止代数，遗传算法迭代次数达到r 即终止寻优，将当前最优方案输出。 设置最多迭代次数没有确定的公式，不同规模电网、电网的运行状态都会影响到遗传 算法的收敛速度，最多迭代次数设置太小，则得到的方案不是最优方案或者跟最优方 案相去甚远，如果设置太大，则无谓占用计算机c p u 过多，影响其他线程。因此很难 确定最多迭代次数，一般是根据经验值来确定。一般来说在1 0 0 3 0 0 之间。 相邻两次迭代达到最优值之差。达到预先设定值。r q 。在每一个遗传代目标函数 计算结束后，相邻两代最优染色体的目标函数值之差为e ，如果e 的绝对值小于。可， 则终止寻优，将当前最优方案输出。t o 也只能经验设定。 达到网损减少值叱。全网无功最优的目的是降低损耗，如果采用当前最优方案 已经达到预先设定值，则认为可以接收该方案。 达到一定时间间隔强行终止。有时由于系统实时性要求，分配给寻优算法为一定 时限，时限到即终止寻优，防止寻优过程中计算机c p u 资源全部被占用从而其他线程 无法处理其他紧急任务。此外，寻优时间过长，即使得出最优方案，此时电网运行状 态已经变化并且差别很大，此方案也就不再适应当前电网状态，用1 0 1 5 分钟之前的 数据寻优算出来的结果肯定不适应当前电网状态。一般来讲，超过2 3 分钟的优化结 果不再使用。显然，此收敛条件起作用则标志无最优方案输出。 外来终止信号。由于特殊原因，其他进程发出强行终止寻优信号，则立即终止计 1 8 华中科技大学硕士学位论文 算。当电压越限时，电压校正模块启动，如果全网无功优化计算正在计算，也必须果 断终止。 2 6 2 其他实用化处理 从延长现场设备的寿命和保证电网运行的安全稳定角度，考虑如下约束条件：变 压器分接头开关连续调整范围应该在2 档以内；并列变压器应该同步调节，避免环流； 由于遗传算法相对简单灵活可以方便地处理这些新的约束条件。 对于约束1 ，在每次给染色体解码时，先获得当前分接头档位值r ，依据式( 2 1 4 ) 得出x 值，列出式子如下 a t ：；塑 4 2 ( 2 _ 1 9 ) 一q 眦 。 显然，一2 z 2 ，所以设 怄红x - 一q q m m 业1 a t = r o u n d ( a t ) 式中r o u n d 为取整函数，从而r 的取值范围为【2 ，1 ，0 ， 档、降1 档、不动作、升1 档、升2 档。 解码时令 r = r + r 其中，丁。即为优化方案中的档位值。 ( 2 2 0 ) 1 ，2 】，分别表示降2 ( 2 2 0 从保护现场设备的角度，设备还应当设置动作间隔最短间隔时问，防止调节振荡。 还有，当无功优化程序运行的优化效益并不明显时，应当避免发遥控、遥调命令。如 果调节一批设备就是为了降低价值几十块人民币的损耗无疑是舍本逐末，因此应当防 止电容器和变压器分接头开关无谓动作，引入动作死区条件。本文的死区条件是根据 优化效益来决定的，包括网损减少量两部分。只有当有足够网损减少量时才允许实时 控制。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 2 7 本章小结 本章系统的介绍了遗传算法的机理和实现过程，详细分析了编码方法、目标函数、 选择算子、交叉算子，变异算子。从工程实用的角度，提出了一些实用化处理方法， 这些方法在实际应用当中是非常重要的。 遗传算法在电网无功优化研究中应用比较广泛，已经证明了是解决无功优化的有 效方法，并且在本文的工程实践中得到证实，因此本文不对遗传算法的牧敛性、效率 作出分析和比较，读者可以参考相关文献。 本文应用改进遗传算法的目的是进行在线全网无功优化和省网关口功率因数校 正。遗传算法由于速度的原因尚不能用于电压校正，但这不完全是遗传算法本身的原 因，其本身的选择、交叉、变异速度比较快，主要是在计算适应度函数时大量的潮流 计算很耗时间，所以，要想加快遗传算法的收敛速度，改进潮流计算算法是有效措施 之一。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 引言 3 分级递阶协调控制模式 目前来讲，地区电网的2 2 0 k v 电压等级以下的网架结构基本上环网设计、开环运 行；对于襄樊地调及县调在管理模式上是调度中心负责负荷预测、下达调配任务、负 责监视电网运行状态、控制设备运行、计算机通讯和远动设备维护；地调及县调的 管辖权限由地域位置及电压等级区分。由地调调度中心统一调度，由各个县调监控各 自辖区内的电网运行。 组织级 t上 l 协溺巾心 i 图3 1 分级递阶控制 因此，按照无功电压分层分n t 4 h q 及就地平衡控制原则，基于地区电网无功电压 分级调度管理模式及无功电压控制的一、二次系统配置现状，开发出具有集中决策、 多级协调、分层分区控制的无功电压分级递阶协调控制系统，通过地调主站、县调主 站的合理配合，实现襄樊电网二级阶梯式控制，并且能接收省网无功电压的指标考核 的地区电网无功电压控制系统t 4 7 4 2 1 ( 以下简称“a v c ) 是很有必要的。 本章引入国内外无功电压分级递阶的控制思想，先从逻辑上介绍了地区电网的全 2 l 华中科技大学硕士学位论文 网无功电压控制方案，再从系统实现的角度描述了对此方案的分级递阶控制思想。本 章部分内容阐述了地区电n a v c 的分级协调控制1 5 3 1 策略。 3 1 1 分级递阶控制思想 电力系统是比较大并且复杂的控制系统，全国即将形成以三峡为中心的全国性互 联系统，这是一个庞大的系统；控制对象种类较多，物理性质各有区别，控制方式和 控制原理不尽相同；拥有不同的电压等级；不同电压等级的控制安全性、稳定性也有 差别，管理级别也不同；对电网的管理依靠行政区域划分而不是按照网架结构的耦合 性等特点划分，给控制管理带来困难。 所以对于一个比较大的电网进行无功电压控制必须化整为零，将个控制整体按 照控制目标和电网架构划分为不同的控制块和控制层，再由控制中心模块进行块和层 之间的协调控制。 分级递阶控制思想的实质是将一个大的控制系统按功能或结构进行层次分配，将 全系统的监视和控制功能划属于不同的级别去完成，各级完成分配给它的功能，并 将有关信息传递到上一级，接受上一级管理。综合控制功能由最高一级决策执行， 各级的工作相互协调，力求整个控制系统达到最佳效果。 一般说来，将对象系统大致分为组织级、协调级和执行级。 组织级是整个系统的最高级，从全网的角度。执行组织管理优化决策的智能，向 下进行指导、考核和监控。该级通过图形用户界面与管理人员进行友善的人机对话， 执行管理决策的职能。向下监视、指导协调级的所有行为。该级还可以根据实际生产 过程和环境等信息，采用人一机结合的方式自动或半自动的提出合理的控制目标或指 标，形成相应的命令、任务或考核指标向低层下达。 协调级属于命令交互层、同时也是缓冲层。协调级主要处理硬件软件中间的接口 ( i m e f f a c e ) ，不同系统软件之间接口、上层命令和下发通道之间的接口；控制信息缓 冲、控制对象反馈信息缓冲。协调级可能有多个协调中心。 执行级是控制系统的最低级，执行现场控制功能，是自动控制系统中控制的关键 级。该级智能最低，但可靠性、准确性、安全性、控制精度和实时性要求最高。 应用分级递阶控制，首先必须确定目标控制系统的功能和结构特点，依据系统的 华中科技大学硕士学位论文 结构特点将实际系统根据一定的原则划分成耦合性比较弱的系统，即对系统横向分 块；同时，根据系统的功能特点确定不同的控制目标，将系统垂直分层，不同的层有 不同的优先级、控制目标和考核指标，层之间有相应的缓冲区域和接口，层之间自上 而下或